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什么是微加速度计?

更新时间:2020-09-09 10:24:19点击次数:180次
在20 世纪 40 年代初,由德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多世纪以来,由于航天、航空和航海领域对惯性测量元件的需求,各种新型加速度计应运而生,性能和精度也有了很大的完善和提高。  加速度计面世后作为最重要的惯性仪表之一,用在惯性导航和惯性制导系统中,与海陆空天运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起。这时候的加速度计整个都很昂贵,使其他领域对它很少问...


20 世纪 40 年代初,由德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多世纪以来,由于航天、航空和航海领域对惯性测量元件的需求,各种新型加速度计应运而生,性能和精度也有了很大的完善和提高。

加速度计面世后作为最重要的惯性仪表之一,用在惯性导航和惯性制导系统中,与海陆空天运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起。这时候的加速度计整个都很昂贵,使其他领域对它很少问津。

直到微机械加速度计的问世,这种状况才发生了改变。随着MEMS技术的发展,惯性传感器件在过去的几年中成为最成功,应用最广泛的微机电系统器件之一,而微加速度计就是惯性传感器件的杰出代表。

微加速度计的理论基础就是牛顿第二定律,根据基本的物理原理,在一个系统内部,速度是无法测量的,但却可以测量其加速度。如果初速度已知,就可以通过积分计算出线速度,进而可以计算出直线位移。结合陀螺仪(用来测角速度),就可以对物体进行精确定位。根据这一原理,人们很早就利用加速度计和陀螺进行轮船,飞机和航天器的导航,近年来,人们又把这项技术用于汽车的自动驾驶和导弹的制导。汽车工业的迅速发展又给加速度计找到了新的应用领域,汽车的防撞气囊就是利用加速度计来控制的。

微加速度计它采用质量块-弹簧-阻尼器系统来感应加速度。图中只画出了一个基本单元。它是利用比较成熟的硅加工工艺在硅片内形成的立体结构。图中的质量块是微加速度计的执行器,与质量块相连的是可动臂;与可动臂相对的是固定臂。可动臂和固定臂形成了电容结构,作为微加速度计的感应器。其中的弹簧并非真正的弹簧,而是由硅材料经过立体加工形成的一种力学结构,它在加速度计中的作用相当于弹簧。

当加速度计连同外界物体(该物体的加速度就是待测的加速度)一起加速运动时,质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制。显然该位移与外界加速度具有一一对应的关系:外界加速度固定时,质量块具有确定的位移;外界加速度变化时(只要变化不是很快),质量块的位移也发生相应的变化。另一方面,当质量块的发生位移时,可动臂和固定臂(即感应器)之间的电容就会发生相应的变化;如果测得感应器输出电压的变化,就等同于测得了执行器(质量块)的位移。既然执行器的位移与待测加速度具有确定的一一对应关系,那么输出电压与外界加速度也就有了确定的关系,即通过输出电压就能测得外界加速度。

微加速度计是微机电系统领域研究最早的器件之一。早在1979RoylanceAngell就开始了微机械压阻式加速度计的研制,随后各种结构的压阻式加速度计相继出现,并且增加了自检功能和集成CMOS电路,测量方向也从单轴逐渐向多轴集成测量发展。另外,多轴单片集成加速度仍然是微机电加速度计研究的热点,自从TakaoLemkin分别于1997年提出了采用体硅工艺和表面工艺的三轴集成检测方法以来,在单片三轴集成方面国外陆续做了不少的研究,但目前尚未有商业化产品。鉴于惯性器件所具有的优点,现已研制出大量的振动惯性器件及二次仪表,例如微型惯性测量组合。

由于微型惯性测量组合主要用于军事场合,涉及国家安全的领域,可见的报道较少,美国Draper实验室的微型惯性测量组合采用三个微硅陀螺、三个微硅加速计和附加电子电路构成的MIMU.使研究把加速度计和陀螺仪集成在一个单芯片上,减小微型惯性测量组合的耦合误差,缩小体积,提高其综合性能。

目前,微加速度计的研究主要集中在硅材料范围,然而由于硅压敏材料的压阻效应受温度影响较大,一定程度上限制了其灵敏度的提高,所以有待于寻找一种新的材料来突破硅微机电器件的极限,而GaAs 材料最有可能成为硅的替代材料,因为它具有一些比硅更加优越的特性[3],研究表明GaAs 材料不仅具有很好的力学特性和电学特性,而且基于GaAs 压阻薄膜具有较高的压阻灵敏度,因此结合GaAs 材料特性的表面微加工技术和体微加工技术、有望制造出具有较高灵敏度、线性度等特性的微加速度计结构。

微机电系统技术的进步和工艺水平的提高,也给微机械加速度计的发展带来了新的机遇,通过了解国内外微机械加速度计的研究动态,总结出微机械加速度计以下几点发展趋势:

1、高分辨率和大量程的微硅加速度计成为研究的重点。由于惯性质量块比较小,所以用来测量加速度和角速度的惯性力也相应比较小,系统的灵敏度相对较低,这样开发出高灵敏度的加速度计显得尤为重要。无论是民用还是军事用途,精度高、量程大的微机械加速度计将会大大拓宽其运用范围。目前在航空航天及军事上应用的加速度计的精度一般在 10 g10-6之间,民用的加速度计精度则要低一些。

2、多轴加速度计的开发成为新的方向。惯性测量组合有六个输出变量,其中三个是相互正交的XYZ 三轴上的加速度。已有文献报道开发出三轴微硅加速度计,其所用的方法也各不相同,但是其性能离实用还有一段距离,多轴加速度计的解祸是结构设计中的一个难点。

3、数字化输出和具备通信能力的微弱信号集成电路。为了获得高分辨率,电路应能检测 aF10法拉)量级变化的微弱信号,这在对体积有着严格要求的仪表集成电路是一个极大的挑战。另外随着信息化网络化的发展,数字化输出和具备通信能力也成为微机械加速度计的发展方向。其输出可以直接进入计算机,也便于用在诸如传感器阵列、嵌入式器件等应用场合。

4、温漂小、迟滞效应小成为新的性能目标。选择合适的材料,采用合理的结构,以及应用新的低成本温度补偿环节,能够大幅度提高微机械加速度计的精度。

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